第三章 膜分離技術(shù)裝置

1、第三章第三章 膜膜分離裝置分離裝置 n 膜分離過程膜分離過程 膜分離是借助一特殊制造的、具有選擇透過性能的薄膜,在 某種推動(dòng)力(如壓力差、濃度差、電位差等)的作用下,利用流體 中各組分對(duì)膜的滲透速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的單元操作。 膜分離過程一般不發(fā)生相變,與有相變的平衡分離方法相比 能耗低能耗低,屬于速率分離速率分離過程。多數(shù)膜分離過程在常溫常溫下進(jìn)行,特 別適用于熱敏性熱敏性物質(zhì)的分離。此外,它操作方便、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、 維護(hù)費(fèi)用低,因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段。 1 膜組件的形式膜組件的形式 膜組件：膜組件：將膜、固定膜的支撐材料、間膜、固定膜的支撐材料、間 隔物或管式外殼隔

2、物或管式外殼等組裝成的一個(gè)單元單元稱為膜膜 組件組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀, 工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、管 式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和 中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式 兩種。 (1) 板框式板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件 板框式板框式是最早最早使用的一種膜組件。其設(shè) 計(jì)類似于常規(guī)的板框過濾裝置, 膜被放置在可 墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐 板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個(gè) 膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。 不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別差別在于料液流道的料液流道的 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上。板框式裝置的結(jié)構(gòu)及示意流道如圖

3、 93(a)所示,料液在進(jìn)料側(cè)空間的膜表面上流動(dòng), 通過膜的滲透液則經(jīng)板間隙孔中流出。 (2) 管式管式(Tubular)膜組件膜組件 q按聯(lián)結(jié)方式分：單管式，管束式 q按其作用分：內(nèi)壓型管式，外壓型管式 管式膜組件管式膜組件有外壓式外壓式和內(nèi)壓式內(nèi)壓式兩種,如圖93(b)所示。 對(duì)內(nèi)壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或 用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流 過,透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對(duì)外壓式膜組 件,膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從 管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔 支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要 設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置

4、。 (a)(a)內(nèi)壓型管式膜組件內(nèi)壓型管式膜組件 1:裝配翼；2:插座接口；3:帶式密封；4:膜；5:密封 6:透過液管接口；7:O型密封環(huán)；8:透過水出口 (b)(b)外壓型管式膜組件外壓型管式膜組件 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制； 安裝、拆卸、換膜和維修均較方便； 能夠處理含有懸浮固體的溶液； 機(jī)械清除雜質(zhì)也較容易； 合適的流動(dòng)狀態(tài)可防止?jié)獠顦O化和膜污染。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 與平板膜比較，管式膜的制備條件較難控制； 膜的裝填面積較低； 管口的密封比較困難。 (3) 螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件 目前,螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分 離過程

5、,圖93(c)為螺旋卷式膜組件的基本構(gòu)型及料液 與滲透液在膜組件內(nèi)的流向。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過 適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝入能承受壓力 的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動(dòng) 通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多 種不同的形式。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：三邊密封的膜袋，另一個(gè)開放的 邊沿與一根多孔中心集水管連接，膜袋內(nèi)裝 多孔支撐材料，膜袋外的原料液側(cè)再墊一層 網(wǎng)眼形間隔材料（隔網(wǎng)），把膜-多孔支撐體- 膜-隔網(wǎng)依次疊和，繞中心集水管緊密地卷在 一起，形成一個(gè)膜元件，再裝進(jìn)圓柱型壓力 容器里，構(gòu)成一個(gè)卷式膜組件。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊 膜的裝填密度大

6、 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 流道窄，對(duì)原料液的預(yù)處理要求高； 膜的密封困難； 透過液側(cè)的支撐材料較難滿足要求； 膜組件的制作工藝復(fù)雜，要求高，尤其用于 高壓操作時(shí)難度更大。 (4) 中空纖維中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件 中空纖維膜組件中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有 其他組件大, 最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也 分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀 容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜 組件,如圖9-2(d)所示。料液從中空纖維組件的一端流入, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過液則滲透通過中空纖維 壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)

7、氧樹脂的固封頭的開端引出, 原液則從膜組件的另一端流出。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：單位體積內(nèi)有效膜表面積比率高，故可 采用透水率較低，而物化穩(wěn)定性好的尼龍中 空纖維。該膜不需要支撐材料、壽命可達(dá)5 年，這是一種效率高、成本低、體積小和重 量輕的反滲透裝置。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：中空纖維膜的制作技術(shù)復(fù)雜，管板制作 也較困 難，同時(shí)不能處理含懸浮固體的原 水。 各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。 3.2膜分離裝置的基本流程膜分離裝置的基本流程 兩個(gè)概念： 段段：指膜組件的濃縮液濃縮液( (濃水)不經(jīng)泵不經(jīng)泵自動(dòng)流到 下一組膜組件處理。流經(jīng)n組膜組件，即稱為n 段。 級(jí)：指膜組件的產(chǎn)品水再經(jīng)泵到下一組膜組

8、件 處理。透過液產(chǎn)品水經(jīng)n次膜組件處理，稱為n 級(jí)。 一級(jí)一段一級(jí)一段 一級(jí)多段一級(jí)多段 二、微濾、超濾、納濾和反滲透二、微濾、超濾、納濾和反滲透 根據(jù)被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的 結(jié)構(gòu)可以將以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程分為微 濾、超濾、納濾與反滲透,四者組成了一個(gè)從可分離 固態(tài)微粒到離子的四級(jí)分離過程,如圖所示。當(dāng)膜兩 側(cè)施加一定的壓差時(shí),可使一部分溶劑及小于膜孔徑 的組分透過膜,而微粒、大分子、鹽等被膜截留下來, 從而達(dá)到分離的目的。 微濾膜通常截留粒徑0.05m的微粒。微濾過程常采用對(duì) 稱微孔膜, 膜的孔徑范圍為0.0510m,操作壓差范圍為 0.050.2MPa;超濾膜截留的是

9、大分子或直徑不大于 0.2m的微粒。 溶 液 的 滲 透 壓 一 般 可 以 忽 略 不 計(jì) , 操 作 壓 差 范 圍 大 約 在 0.91.0MPa;反滲透常被用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質(zhì)。 反滲透過程中溶液的滲透壓不能忽略,操作壓差需要根據(jù)被處理溶 液的溶質(zhì)大小和濃度確定,通常在2MPa左右,也可高達(dá)10MPa,甚 至20MPa。反滲透多采用致密的非對(duì)稱膜或復(fù)合膜。介于反滲透 與超濾之間 的納濾過程可用來分離溶液中分子量為幾百至幾千的 物質(zhì),其操作壓差通常比反滲透低,約為0.53.0MPa。因其截留的 組分在納米范圍,故得名納濾。 1、反滲透與納濾、反滲透與納濾 反滲透和納濾是借助

10、于半透膜對(duì)溶液中低分子量溶質(zhì)的截 留作用,以高于溶液滲透壓的壓差為推動(dòng)力,使溶劑滲透通過半透 膜。反滲透和納濾在本質(zhì)上非常相似,分離所依據(jù)的原理也基本相 同,兩者的差別僅在于溶質(zhì)的大小。事實(shí)上,納濾和反滲透膜可視 為介于多孔膜(微濾、超濾)與致密膜(滲透蒸發(fā)、氣體分離)之間的 過程。因?yàn)槟ぷ枇^大,所以為使同樣量的溶劑通過膜,就要使用 較高的壓力,而且需克服滲透壓。 反滲透是利用反滲透膜選擇性地只透過溶劑(通 常是水)的性質(zhì),對(duì)溶液施加壓力克服溶劑的滲透壓,使 溶劑從溶液中分離出來的單元操作。反滲透屬于以 壓力差為推動(dòng)力的膜分離技術(shù),其操作壓差一般為 1.510.5MPa,截留組分為(110)

11、10-10m的小分子 物質(zhì)。目前,隨著超低壓反滲透膜的開發(fā),已可在小于 1MPa的壓力下進(jìn)行部分脫鹽、水的軟 化和選擇性分 離等,反滲透的應(yīng)用領(lǐng)域已從早期的海水脫鹽和苦咸 水淡化發(fā)展到化工、食品、制藥、造紙等各個(gè)工業(yè) 部門。 (1)、反滲透原理、反滲透原理 在溫度一定的條件下,若將一種溶液與組成這種溶 液的溶劑放在一起最終的結(jié)果是溶液總會(huì)自動(dòng)地稀釋, 直到整個(gè)體系的濃度均勻一致為止。如果將溶液和溶劑 用半透膜隔開,并且這種膜只能透過溶劑分子而不能透 過溶質(zhì)分子,則溶劑將從純?nèi)軇﹤?cè)透過膜到溶液側(cè),這就 是滲透現(xiàn)象。滲透的結(jié)果是使溶液液柱上升,直到系統(tǒng) 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,溶劑才不再流入溶液側(cè),此時(shí)溶液

12、上升高 度產(chǎn)生的壓力為即為滲透壓,以表示,如下圖。 若在溶液側(cè)加大壓力, p則溶劑在膜內(nèi)的傳遞現(xiàn)象將發(fā) 生逆轉(zhuǎn),即溶劑將從溶液側(cè)透過膜向溶劑側(cè)流動(dòng),使溶液增濃,這就 是反滲透現(xiàn)象,如圖(c)所示。 反滲透常用致密膜、非對(duì)稱膜和復(fù)合膜。反滲透不能達(dá)到溶 劑和溶質(zhì)的完全分離,所以反滲透的產(chǎn)品一個(gè)是幾乎純?nèi)軇┑耐高^ 液,另一個(gè)是原料的濃縮液。 總之,反滲透過程必須滿足兩個(gè)條件： 有一種選擇性高的透過膜； 操作壓力必須高于溶液的滲透壓。在實(shí)際反滲透過程中 膜兩邊的靜壓差還必須克服透過膜的阻力。 (2)、影響反滲透因素、影響反滲透因素濃差極化濃差極化 由于膜的選擇透過性因素,在反滲透過程中,溶劑從高壓側(cè)

13、透 過膜到低壓側(cè),大部分溶質(zhì)被截留,溶質(zhì)在膜表面附近積累,造成由 膜表面到溶液主體之間的具有濃度梯度的邊界層,它將引起溶質(zhì)從 膜表面通過邊界層向溶液主體擴(kuò)散,這種現(xiàn)象稱為濃差極化。 根據(jù)反滲透基本方程式可分析出濃差極化對(duì)反滲透過程產(chǎn)生 下列不良影響： 由于濃差極化,膜表面處溶質(zhì)濃度升高,使溶液的滲透壓 升高,當(dāng)操作壓差P一定時(shí),反滲透過程的有效推動(dòng)力(P - )下 降,導(dǎo)致溶劑的滲透通量下降; 由于濃差極化,膜表面處溶質(zhì)的濃度CA1升高,使溶質(zhì)通過膜 孔的傳質(zhì)推動(dòng)力(CA1-CA2)增大,溶質(zhì)的滲透通量升高,截留率降低,這 說明濃差極化現(xiàn)象的存在對(duì)溶劑滲透通量的增加提出了限制; 膜表面處溶質(zhì)的

14、濃度高于溶解度時(shí),在膜表面上將形成沉淀, 會(huì)堵塞膜孔并減少溶劑的滲透通量; 會(huì)導(dǎo)致膜分離性能的改變; 出現(xiàn)膜污染,膜污染嚴(yán)重時(shí),幾乎等于在膜表面又可形成一層 二次薄膜,會(huì)導(dǎo)致反滲透膜透過性能的大幅度下降,甚至完全消失。 減輕濃差極化的有效途徑是提高傳質(zhì)系數(shù)A,采取的措施有；提 高料液流速、增強(qiáng)料液湍動(dòng)程度、提高操作溫度、對(duì)膜面進(jìn)行定期 清洗和采用性能好的膜材料等。 (3)、反滲透過程工藝流程 在實(shí)際生產(chǎn)中,可以通過膜組件的不同配置方式來滿足對(duì)溶 液分離的不同質(zhì)量要求。而且膜組件的合理排列組合對(duì)膜組件的 使用壽命也有很大影響。如果排列組合不合理,則將造成某一段內(nèi) 的膜組件的溶劑通量過大或過小,不

15、能充分發(fā)揮作用,或使膜組件 污染速度加快,膜組件頻繁清洗和更換,造成經(jīng)濟(jì)損失。 根據(jù)料液的情況、分離要求以及所有膜器一次分離的分離效 率高低等的不同,反滲透過程可以采用不同工藝過程,下面簡要介 紹幾種常見的工藝流程。 一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段連續(xù)式 料液一次通過膜組件即為濃縮液而排出。 這種方式透過液的回收率不高,在工業(yè)中較少采用。 一級(jí)一段循環(huán)式一級(jí)一段循環(huán)式 為了提高透過液的回收率,將部分濃縮液 返回進(jìn)料貯槽與原有的進(jìn)料液混合后,再次通過膜組件進(jìn)行分離。這 種方式可提高透過液的回收率,但因?yàn)闈饪s液中溶質(zhì)的濃度比原料液 要高,使透過液的質(zhì)量有所下降。 一級(jí)多段連續(xù)式一級(jí)多段連續(xù)式 將第一段的濃

16、縮液作為第二段的進(jìn)料液, 再把第二段的濃縮液作為下一段的進(jìn)料液,而各段的透過液連續(xù)排 出。這種方式的透過液回收率高,濃縮液的量較少,但其溶質(zhì)濃度 較高。 在反滲透的應(yīng)用過程中還采用多級(jí)多段連續(xù)式和循環(huán)式工藝 流程,操作方法與上述三種工藝流程相似。 (4)、反滲透技術(shù)的應(yīng)用 反滲透技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要在海水和苦咸水的淡化,此外還 應(yīng)用于純水制備、生活用水處理以及乳品、果汁的濃縮、生化和生 物制劑的分離和濃縮等。 海水淡化海水淡化 水是人類賴以生存的不可缺少的重要物質(zhì)。然而地球上水大約 97%是不能直接飲用的海水,只有3%是能夠直接飲用的淡水,其中 70%是被南極、北極的冰河和萬年雪山所固定,而且隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 的迅速發(fā)展,淡水資源的緊缺日趨嚴(yán)重,促使許多國家投入大量資金研 究海水和苦咸水淡化技術(shù)。已采用的淡化技術(shù)有蒸發(fā)法和膜法(反滲 透、電滲析),與蒸發(fā)法相比,膜法淡化技術(shù)有投資費(fèi)用少、能耗低、 占地面積少、建造周期短、操作方便、易于自動(dòng)控制、起動(dòng)運(yùn)行快 等優(yōu)點(diǎn)。 目前,世界上最大的反滲透海水淡化廠是設(shè)在沙特阿拉伯的沙 特捷達(dá)市。其工藝流程如圖所示。取自紅海表面下的9m深處的海 水,經(jīng)攔污柵和帶式移動(dòng)篩脫除較大的碎屑、 浮游生物等,進(jìn)入海水 蓄水池,池內(nèi)加次氯酸鈉滅菌,氯化滅菌后的海水在進(jìn)入雙介質(zhì)過濾 器前還要加入絮凝劑FeCl3以加強(qiáng)過濾效果